基于Modbus TCP的发射机远程监控系统的设计

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【本文献信息】党宏社，张新院，姚勇．基于Ｍｏｄｂｕｓ　ＴＣＰ的发射机远程监控系统的设计［Ｊ］．电视技术，２０１３，３７（８）　

基于Ｍｏｄｂｕｓ　ＴＣＰ的发射机远程监控系统的设计　

党宏社，张新院，姚勇　

（陕西科技大学电气与信息工程学院，陕西西安７１００２１）　

【摘要】针对目前广播电视发射台人工现场监控发射机工作效率低，环境艰苦、维护工作量大等一系列问题，设计了基于　Ｍｏｄｂｕｓ　ＴＣＰ通信的发射机远程监控系统，实现发射机远程开关机、参数设置和工作状态显示，描述了采用客户机与服务器模　型的设计过程。系统已联机应用于广播台控制系统中，运行效果良好。　【关键词】Ｍｏｄｂｕｓ　ＴＣＰ；发射机；远程监控　【中图分类号】ＴＮ９４９．６　【文献标志码】Ｂ　

目前，我国广播发射台一般地处高山或偏远地带，环　

境较差，发射台监控人员还会直接受到天线电磁波的辐　

射，因此实现远程监控成为发射台工作的努力方向ｎ１。随　

着发射机稳定性提高、机房硬件条件的改善及网络的普　及，使得这种工作模式成为可能。通常发射机通过以下　

方式实现远程通信：采用ＲＳ一４８５加中继器的方式，通信　

ＲＳ一２３２接口加调制解调器或ＧＰＲＳ等方式　］。而这两种　

方式存在通信距离短、通信速度慢等不足。随着以太网　

的发展，以太网技术也逐渐应用于工业网络中，其具有速　

度高、抗干扰性强等特点，但在设计中通信协议往往由开　

发者定义，通信可靠性低、兼容能力等弱点严重制约了其　

进一步的发展空间。本文基于通用的Ｍｏｄｂｕｓ　ＴＣＰ通信　

协议，采用客户机／服务器模型，完成发射机数据的上传、　控制命令的下发功能。系统采用Ｍｏｄｂｕｓ　ＴＣＰ协议实现　

发射机远程监控，使得系统维护、升级更方便，可以实现　

机房播出自动化，做到无人值守。　

１　广播发射机控制系统组成结构　

发射机远程监控系统由远程控制中心和发射机控制　

系统两部分组成：远程监控中心是由一台或多台计算机　

组成，通过监控软件实时显示与查询发射机运行状态，同　

时下发控制命令；发射机控制系统通过以太网接收数据，　执行控制命令、返回远程监控系统发射机运行状态及数　

据　。广播发射机远程监控系统结构如图１所示。　

Ｍｏｄｂｕｓ协议由施耐德电气发起制定，是一种具有开　放性和透明性的工业网络应用层协议，广泛应用于工业　

控制领域。本系统采用Ｍｏｄｂｕｓ　ＴＣＰ协议实现发射机远　

程监控。Ｍｏｄｂｕｓ　ＴＣＰ协议在应用层采用Ｍｏｄｂｕｓ消息定　

义，在传输层和网络层采用ＴＣＰ／ＩＰ。Ｍｏｄｂｕｓ　ＴＣＰ协议采　图１广播发射机远程监控系统结构　

用客户机／服务器模型，其中Ｍｏｄｂｕｓ报文传输服务提供了　

设备之间的客户机／服务器通信，符合“请求／响应”的通信　

模式　１。在通信过程中，通信链路的两端被分别定义为　Ｍｏｄｂｕｓ主机（ＴＣＰ客户端）及Ｍｏｄｂｕｓ从机（ＴＣＰ　Ｊ］￣务器），　

两者之间遵循“主一从”通信原则，主机请求数据，从机提　供数据。一个完整的通信过程包括查询周期和响应周　

期，查询周期由Ｍｏｄｂｕｓ主机发起，从机收到主机发来的　

查询指令验证后，在响应周期中回传主机需要的数据。　

Ｍｏｄｂｕｓ　ＴＣＰ通信过程都以一个独立的事务进行处理。　

Ｍｏｄｂｕｓ　ＴＣＰ通信的消息格式为ＭＢＡＰ报文头、功能　

码和数据。其中，ＭＢＡＰ报文头（Ｍｏｄｂｕｓ应用协议报文　

头）是Ｍｏｄｂｕｓ／ＴＣＰ主从机识别Ｍｏｄｂｕｓ应用数据单元的　

一种常用报文头，Ｍｏｄｂｕｓ　ＰＤＵ是与基础通信层无关的协　议数据单元，与Ｍｏｄｂｕｓ串行链路完全相同。在ＰＤＵ（包　

括功能码与数据两部分）单元中的功能码用于表示主机　

请求从机执行的任务类型或者从机响应的类型　。　

２远程监控系统服务器设计　

远程监控系统服务器在发射机端完成Ｍｏｄｂｕｓ指令　

响应以及数据采集和控制功能。基于Ｍｏｄｂｕｓ　ＴＣＰ服务　

基金项目：陕西省科技攻关项目（２００８Ｋ０５—２６）；陕西省教育厅科技计划项目（０９ＪＣ２０）；陕西科技大学研究生创新基金项目　

投稿网址ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ＶｉｄｏｏＥ．Ｃｆｌ　ｌ《电视技术》第３７卷第８期（总第４１０期）ｂ，　＾■

－　嘲ＴＶ　

器的设计分为两部分：第一部分是以太网硬件接口模块　设计，主要功能是将发射机主控制系统接入以太网；第二　

部分是Ｍｏｄｂｕｓ　ＴＣＰ通信协议的实现，首先完成以太网传　输层协议的实现，其次在以太网传输层的基础之上完成　

Ｍｏｄｂｕｓ　ＴＣＰ应用层协议的编写。　

２．１以太网硬件接口模块的设计　以太网接口模块硬件由微控制器ＳＴＭ３２Ｆ１０３ＶＣ、以　

太网控制芯片ＥＮＣ２８Ｊ６０、带有网络隔离器的网络接口　

ＨＲ９１　１　１０５Ａｌ　构成。微控制器是采用Ｃｏｒｔｅｘ—Ｍ３内核的　

３２位ＣＰＵ，通过ＳＰＩ总线与以太网控制芯片ＥＮＣ２８Ｊ６０相　

连，它集成以太网控制器、介质访问控制子层（ＭＡＣ）和物　理层。网络隔离变压器集成于ＨＲ９１　１　１０５Ａ中，起到低通　

滤波和隔离、变压作用，可提高系统的抗干扰能力。微控　

制器通信对以太网控制芯片的各项操作、远程中心机房　

控制命令和数据通过网络接口进入以太网控制芯片，最　

后到达微控制器内部；发射机的实时数据经主控制系统　

的采集处理后，送至以太网控制芯片，再经过以太网接口　

发送到远程中心机房。通过上述过程来实现远程数据的　

传输和接收。　

２．２远程监控系统服务器端软件设计　Ｍｏｄｂｕｓ　ＴＣＰ报文传输服务组件结构如图２所示，根　

据Ｍｏｄｂｕｓ　ＴＣＰ报文传输服务组件结构，实现Ｍｏｄｂｕｓ　

ＴＣＰ服务器需要两部分：以太网传输层软件的设计和　Ｍｏｄｂｕｓ　ＴＣＰ服务器软件的设计。　

用户应用　』　Ｉ　Ｍｏｄｂｕｓ服务器　ｌ　ｌ　ＴＣＰ　＋　ＩＰ　＋　ＥｔｈｅｒｎｅｔｌＩ／８０２．３　以太网物理层　

图２　Ｍｏｄｂｕｓ　ＴＣＰ报文传输服务组件结构　

２．２．１　以太网传输层协议移植　

以太网传输层协议选用ＲＬ—ＴＣＰｎｅｔ库，支持完整的　

ＴＣＰ和ＵＤＰ，集成于ＭＤＫ—ＡＲＭ开发环境中，ＲＬ—ＴＣＰｎｅｔ　

库的特点是使用较少内存和较低代码量，ＲＬ—ＴＣＰｎｅｔ库　

为用户提供了两种与以太网控制芯片的接口，分别是以　

太网查询方式工作和中断方式工作。本系统采用中断方　

式，中断设备驱动程序可以减少当系统反应过慢时丢包　

的可能性，从而提高了性能。　

ＲＬ—ＴＣＰｎｅｔ库的移植包括：工程中加入ＲＬ—ＴＣＰｎｅｔ库　

６８《电视技术》第３７卷第８期（总第４１０期）Ｉ投稿网址ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ＶｉｄｅｏＥ．ｏｎ　文件；驱动程序的编写；应用ＲＬ—ＴＣＰｎｅｔ库提供接口进行　应用层编程。　

２．２．２　Ｍｏｄｂｕｓ　ＴＣＰ服务器设计　Ｍｏｄｂｕｓ　ＴＣＰ服务器的作用是为应用对象提供访问　

以及为远程客户机提供服务。首先Ｍｏｄｂｕｓ　ＴＣＰ服务器　

应用ＲＬ—ＴＣＰｎｅｔ库提供的函数建立ＴＣＰ连接管理，应用　

ＲＬ—ＴＣＰｎｅｔ库中提供了相应程序接口实现５０２端口监听、　

数据接收、发送及连接建立与关闭等操作，建立基于ＴＣＰ　

连接。图３描述了服务器处理过程流程图，获得ＴＣＰ连　

接的Ｍｏｄｂｕｓ请求后，分析请求，处理所需操作，返回Ｍｏｄ．　

ｂｕｓ响应。服务器接收一个Ｍｏｄｂｕｓ　ＡＤＵ请求后，对ＡＤＵ　

进行解析获得功能码信息，生成相应的请求，通过对相应请　求处理后的ＰＤＵ帧封装成ＡＤｕ帧并将其返回到客户机。　

图３　Ｍｏｄｂｕｓ处理流程图　

３　远程监控系统客户端设计　

远程监控系统通过上位机监控软件登陆，发送控制　

指令，远程监控系统服务器接收控制指令并进行数据处　

理后传给本地控制器控制发射机，同时将发射机的工作　

状态数据通过服务器返回，并在监控软件上进行显示。　其中网络数据通过以太网接收，在应用层通过．ＮＥＴ　

Ｆｒａｍｅｗｏｒｋ类库中的ＴｃｐＣｌｉｅｎｔ类为网络建立ＴＣＰ连接，同　

时建立一个基于数据库记录数据，监控软件包括ＴＣＰ连　

接管理、Ｍｏｄｂｕｓ客户机设计、数据库和监控界面，总体结　

构如图４所示。　

３．１　Ｍｏｄｂｕｓ客户机设计　ＴＣＰ连接管理建立在以太网传输层的基础之上，在　

Ｖｉｓｕａｌ　Ｓｔｕｄｉｏ　２０１０集成开发环境中时，应用．ＮＥＴ　Ｆｒａｍｅ．　

ｗｏｒｋ类库中的ＴｃｐＣｌｉｅｎｔ类为网络建立ＴＣＰ连接。ＴｃｐＣｌｉ．

　监控界面　｛　｛　Ｍｏｄｂｕｓ客户机｝　数据库　ｌ　Ｉ　

操作系统　ｌ　ＵＤＰ协议ｌ　

图４远程监控系统客户端软件框架图　

ｅｎｔ类是属于Ｓｙｓｔｅｍ．Ｎｅｔ．Ｓｏｃｋｅｔｓ命名空间，封装在ｓｙｓｔｅｍ．　

ｄｌｌ中，使用．ＮＥＴ　Ｆｒａｍｅｗｏｒｋ流处理技术读取和写人数据。　Ｍｏｄｂｕｓ客户机需要处理三类事件：第一类发送给远　

程发射机的设置参数以及发射机状态返回请求，首先对　

Ｍｏｄｂｕｓ请求进行编码，由ＴＣＰ连接通过网络发送Ｍｏｄｂｕｓ　

请求，ＴＣＰ连接会返回一个证实或ＴＣＰ连接错误。第二　

类对ＴＣＰ连接响应的处理。客户机分析响应内容，把接　

收到数据进行处理，返回一个证实。第三类对无响应而　

超时的处理。若响应超时，则发送一个网络重试信息，或　发送一个否定证实。客户机操作如图５所示。　

开始　工　等待　

处理Ｍｏｄｂｕｓ证实ｌ　ｌ发现挂起的事务处理ｌ　ｌ生成Ｍｏｄｂｕｓ请求　

Ｙ　蚕惹墓　发送ＭＴ　ｏｄＰｂ管ｕｓ理￣求到　

Ｎ　

向用户应用发送　否定证实　发送成　

设定等待应答　定时器　

图５　Ｍｏｄｂｕｓ客户机操作图　

３．２数据库建立与访问　远程监控系统采用界面友好、易操作的Ａｃｃｅｓｓ数据　

库，建立用户信息、从功放１到功放６、电源数据、故障记　

录和参数设置等数据库表，修改字段名以存储对应数据，　

例如时间、电压、电流、状态、上下限等信息。负责在系统　

中监控界面对发射机修正系统、上下限、用户信息等参数　的写入，同时负责Ｍｏｄｂｕｓ客户机接收到的服务器的功　

放、电源和故障等信息的写人。　

３Ｉ３设计监控界面设计　监控界面的设计目的是方便地进行各发射机参数设　

置，直观地查看发射机的工作状态以及与数据库数据的　

交互。主要包括以下功能：１）用户管理，增加删除用户、　

用户权限的设置、密码修改。２）系统设置，上下限设置、　ＴＶ　佃　

修正系数设置、定时开关机、记录时间间隔。３）记录查　

询，历史记录、故障记录、用户登陆历史的查询。　

３．４系统运行环境及监控　系统已应用于广播台控制系统中，图６为系统在调　

试过程中的现场情况（不涉及任何国家或企业机密），图７　

为系统正常工作时监控的主界面。系统运行过程中，系　

统启动时，首先读取数据库中有关发射机设置参数进行　

显示，其次读取发射机工作状态，用颜色标识状态，监控　

数据会每１００　ｍｓ从数据库更新数据１次。界面中图标有　

３种颜色（图６原为彩色图片），绿色表示工作正常，红色　表示报警，灰色表示未使用。控制区域控制按钮可以下　

传控制命令，当管理员登陆时可以使用。在主界面上可　

以通过点击相应按钮进人相应状态显示，并且可以同时　

显示多个窗口。　

图６发射机远程监控实现现场　

图７发射机远程监控系统正常运行界面（截图）　

４　小结　

本文根据广播发射台对发射机远程监控的需要，设　计并完成了基于Ｍｏｄｂｕｓ　ＴＣＰ协议的远程监控系统，通过　

发射机远程监控需求分析，以及Ｍｏｄｂｕｓ　ＴＣＰ应用的关键